Kleinwindkraft - Stand und Perspektiven: Anlagentypen & Technische Entwicklungen

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1 Kleinwindkraft - Stand und Perspektiven: Anlagentypen & Technische Entwicklungen A.P. Schaffarczyk, CEwind eg 15. WindComm Werkstatt 9. Mai 2011, Büsum

2 Inhalt Einleitung Stand der Technik und Beispiele Anlagen mit vertikaler Rotationsachse Perspektiven Zusammenfassung

3 Aerodynamische Untersuchungen an Windkraftanlagen seit: horizontale Achse: 1997 vertikale Drehachse: 2005

4 2 Standorte: Hamburg und Kiel log law z (m) 10 log low Billwerder DWD Finkenwerder z (m) 20 log law messung ,0 4,0 6,0 8,0 v-wind (m/s) 0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 v-wind (m/s)

5 Definition KWEA nach IEC: A r < 200 m² (ca. 80 kw) P nenn < 10 kw

6 Anzahl installierter Anlagen ( Schätzung) USA: > 22 M Europa: 3 M (?) China: 20 k Deutschland: 4 k (?)

7 Stand der Technik: Inensus (2009)

8 Beispiel 2.5 kw Anlage (D = 3.5 m) Auslegung und Messung 2.5 kw Anlage Auslegung- Messung P (W att) Auslegung - mechanisch Messung 2 min bins wind (m/s)

9 Drei (uns gut bekannte) Anlagen aus Schleswig-Holstein aerosmart5 Wespe EasyWind

10 High Tech? Skystream 3.7 (m Rotordurchmesser, P r = 2.4 kw) GL zertifiziert- Stückzahlen Weltweit: Europa: ca Stück ca. 500 Stück

11 Zeeland Small Wind Turbine Testfield V-wind (2008/2009) = 3,8 m/s Spez. Erträge kwh/(m² Jahr) : (Skystream)

12 Erträge Erträge kwh/(jahr m²) aerosmart easy wind wespe skystream 0 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 v-wind (m/s)

13 Anlagen mit vertikaler Drehachse Savonius-Rotoren (cp < 0,2) Darrieus-Rotoren (cp = 0,35?)

14 3 Beispiele eigener Untersuchungen (von ca. 10) Mark Power TW 1000 Baltic Thunder 1 5 kw 1 kw 1 kw Sandia 34 Meter (1992) 250 kw (höchster bisher gemessener Wirkungsgrad)

15 Marc Power, 5 kw 0,300 cp - TSR (Schreiber) 0,250 0,200 cp 0,150 0,100 0,050 0,000 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 TSR Messung: Hendry, HS Bremerhaven, 2007 Radius R(m)= 2,8 Blade Length BL(m)= 3,3* Swept Area A(m 2 )= 18,48 Air Density Rho= 1,22 Number of Blade N= 4 Blade Deep t(m)= 0,48

16 VencoPowerTW1000, 1 kw 0,40 0,30 cp 0,20 Messung Darrieus - BEM - Strickland cp- Savonius 0,10 0,00 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 TSR Messung: Buchhorn 2009

17 Baltic Thunder 2008 Messungen im Windkanal der Deutschen WindGuard GmbH Mai Juni August Blätter von VencoPower eigener Entwurf Studentischer Entwurf

18 Dritte (beste) Messung August 2008 cp-tsr 0, Stich-Rotor (Sigma = 0,9) 0,090 0,080 0,070 P (Watt) ,0 7,0 9,0 11,0 13,0 15,0 v-wind (m/s) messung dart cp 0,060 0,050 0,040 0,030 Reihe1 Polynomisch (Reihe1) 0,020 0,010 0,000 0,0 1,0 2,0 3,0 TSR

19 Aeroelastische Stabilität: Campbell Diagramm

20 Sandia 34 m (260 kw) Versuchsanlage (1992) cp = 0,41

21 Zusammenfassung Vertikalanlagen cp 0.4 nachgewiesen Kleinere Anlagen müssen sorgfältig konzipiert sein: angepasste aerodynamische Profile selbststartfähig Blattzahl = 3 Blatthaltung aeroelastisch stabil mit wenig Widerstand gute Elektrik

22 Stand der Technik elektrische Komponenten: (1) Generator, (2) Betriebsführung, (3) Netzanbindung Hauptsächlich permanent erregter Synchrongenerator Teilweise: Scheibenläufer, direkt am Netz betriebene Asynchrongeneratoren mit Getriebe Unterschiedliche Generatorspannungen Teilweise Kurzschlussfest für Bremsbetrieb (2) Nachfahren von vorher vermessenen Generatorkennlinien (3) Asynchrongenerator: Polumschaltbar, direkt am Netz mit schaltender Kondensatorbank Gleichrichter Trafobasierter Umrichter Meist modifizierte Solar-Wechselrichter

23 Perspektiven - Maschinenbau Aerodynamisch optimierte Rotorprofile Geräuschemissionen (Rotorblätter, Getriebe, Generator) Gewicht Haltbarkeit Schwachwind- vs. Starkwind- Auslegung

24 Perspektiven - Generatoren Optimierte permanent erregte Synchrongeneratoren, z.b. Scheibenläufer für geringes Rastmoment im Schwachwindbetrieb Hohe Polpaarzahl bei geringem Bauvolumen Wirkungsgradverbesserung Hohe Isolationsfestigkeit für Umrichter ohne galvanische Trennung

25 Perspektiven - Betriebsführung Aktives Maximum Power Point Tracking

26 Perspektiven Netzanbindung Erfüllung der Netzanschlussregeln Optimierte Umrichter (Gewicht, Kosten, Volumen) Trafoloses Konzept Optimale Topologie (2, 3, 5 Level) Optimale Leistungshalbleiter (MosFET/IGBT) Weiter Eingangsspannungsbereich Hoher Wirkungsgrad im Teillast-Betrieb Abstimmung des Umrichters auf die KWEA

27 Zusammenfassung Wenig marktfähige, zertifizierte und moderne Anlagen verfügbar hoher (spez.) Entwicklungsaufwand aktives Gebiet